Für die industrielle Abwärmenutzung

Dieser Herausforderung hat sich die SMB GmbH Jessen in Zusammenarbeit mit dem ILK Dresden in einem Entwicklungsprojekt gestellt. Die SMB GmbH Jessen entwickelt neue Herstelltechnologien und entsprechende Werkzeuge, die im Rahmen des Musterbaus erprobt und optimiert werden. Das ILK Dresden unterstützt diese Aktivitäten mit experimentellen Untersuchungen und Engineeringleistungen.

Der neue Rohrbündel-Wärmeübertrager

Mittels einer neuartigen innovativen Fügeverbindung können am Markt verfügbare dünnwandige Edelstahlrohre (0,3 mm bis 0,5 mm) zu einem Register in den Rohrböden von nur 1,5 mm Dicke montiert werden. Dieses Verfahren ermöglicht den Aufbau verschieden großer Wärmeübertrager z.B. für die Luft-Luft-Anwendung im Leichtbauprinzip. Bild 1 zeigt zwei Baugrößen von Demonstrationsmustern für Rohrregister, die mit der neuen Fügeverbindung hergestellt worden sind. Deren technische Daten stehen in Tabelle 1.

Im Kreuzstromprinzip strömen beide Fluidströme zum einen durch die Rohre (z. B. Abwärmefluid) und zum anderen durch das Register (z. B. zu erwärmende Zuluft). Dabei ist es für eine hohe Effizienz der Wärmeübertragung zwingend erforderlich, dass die mehr oder weniger großen Flächen ausreichend gleichmäßig vom Fluid beaufschlagt werden. Des Weiteren muss das Kondensat sicher aus dem Prozess geführt werden können. Diese Anforderungen sind unabhängig von den gegebenen Kanal­anschlussmöglichkeiten zu erfüllen. Lösungsansätze dafür sollen kompakte und strömungstechnisch optimierte Zu- und Ab­ström­adapter sein, die nach allgemeingültigen Designkriterien kons­truiert und gebaut werden.

In der praktischen Anwendung solcher Wärmeübertrager müssen Wartungskriterien in Abhängigkeit der vorhandenen Produktionsprozesse erfüllt werden. In einer Konsequenz bedeutet dies z. B. ein Reinigungssystem, dass im laufenden Prozessbetrieb dem Wärmeübertrager die Funktion einer „Selbstreinigung“ über eine lange Betriebszeit ermöglicht. Ein praktikabler Konstruktionsansatz ist die platzsparende Integration einer relevanten Vorrichtung im Wärmeübertrager und seiner Adapter derart, dass diese nicht zusätzlich nach außen aufbaut.

Die Neuartigkeit des Wärmeübertragersystems definiert sich demnach in der Nutzung dünner Edelstahlkomponenten, in der innovativen Fertigungstechnologie, der Gestaltung flexibler Übergangskomponenten zum Kanalnetz und in der möglichen Integration eines Reinigungssystems.

Die Innovation des Rohrbündel-Wärmeübertragers

Im Grundaufbau unterscheidet sich der neue Rohrbündel-Wärme­übertrager prinzipiell nicht von konventionellen Konzepten. Die wesentliche Innovation liegt in der Herstelltechnologie. Ein speziell entwickeltes Werkzeug eröffnet neue Möglichkeiten, die im Vergleich zum Stand der Technik enorme Verbesserungspotentiale erschließen helfen. Die Wesentlichen werden in Tabelle 2 genannt.

Auf der Basis der genannten Sachverhalte können die Edelstahlrohr-Wärmeübertrager kurzfristig auch für die Wasser-Luft- bzw. Wasser-Wasser-Anwendung entwickelt werden.

Technische Untersuchungen am neuen Wärmeübertrager

Für den Nachweis der Praxistauglichkeit der innovativen Lösungs­ansätze der Fügeverbindung und der Systemintegration mittels kompakter Zu- und Abströmadapter sind technische Untersuchungen am ILK Dresden erfolgt. Das waren schwingungstechnische, strömungstechnische und thermodynamische Untersuchungen.

Die schwingungstechnischen Untersuchungen hatten u.a. zum Ziel, die Resonanzfrequenzen des Rohrbündel-Wärmeregisters mittels 3D-Bewegungssensoren zu bestimmen. Die Erregerfrequenz infolge Durchströmung des Registers darf nicht dauerhaft im Bereich der Resonanzfrequenzen des Rohregisters liegen. Im schlimmsten Falle kann dieser Zustand zu Zerstörungen auch an den innovativen Fügeverbindungen führen. Im Ergebnis der Untersuchungen kann in Abhängigkeit der Bauhöhe ein Luftvo­lu­menstrom als maximaler Grenzwert definiert werden, bis zu dem keine Resonanzen auftreten. Das ist eine wesentliche Bewertungs­größe für eine stabile und dauerhaft flexible Fügeverbindung unter gegebenen Einsatzbedingungen. Bild 2 zeigt ein Beispiel für die Montage des 3D-Bewegungssensors. Das Diagramm in Bild 3 veranschaulicht den aus den Ergebnissen abzuleitenden Bewertungsmaßstab.

Die strömungstechnischen Untersuchungen umfassen Druckverlustmessungen und Untersuchungen zur Gleichmäßigkeit der Beaufschlagung der großen Querschnittsflächen. Letztere dienen dem Nachweis, inwieweit kompakte Zuströmadapter die Erwartungen an eine ausreichend gleich­mäßige Beaufschlagung erfüllen können. Im Ergebnis dieser Untersuchungen stehen Designkriterien, die für die Kon­struk­tion und Fertigung solch kompakter Adapter unabhängig von der Baugröße und den An­schluss­be­dingungen allgemeingültig sind. Damit werden wichtige Voraussetzungen für eine effiziente Wärmeübertragung im System erfüllt. Die Ins­tallation des Wärmeübertra­gers der Bau­größe 1 an die Vo­lu­menstrom-Mess­strecke mittels kompakten Zuströmadapters zeigt Bild 4. Eine grafische Auf­bereitung der Ergebnisse zur Qualität der Be­auf­schlagung veranschaulicht die farbliche Flächendarstellung am Wärmeübertrageraustritt in Bild 5. Die hier umgesetzten Konstruktionsansätze für die kompakten Zuströmadapter ermöglichen demnach eine ausreichend gleichmäßige Beaufschlagung des Strömungsquerschnittes. Dafür steht die Bewertungsaussage „an jeder Stelle des Querschnittes strömt das Fluid“.

Umfangreiche thermische Untersuchungen sind an der Baugröße 2 erfolgt. Dazu ist dieser in einen entsprechend umgerüsteten Test­stand mit Brennkammer und Befeuchtung integriert worden (Bild 6).

Die ermittelten Leistungscharakteristika können baugrößenunabhängig ausgewertet werden, indem z. B. die Leistungswerte auf das Bauvolumen des Wärmeübertragers oder die Wärme­über­tragerfläche bezogen wird. Das ermöglicht Aussagen zur ther­mischen Leistungsfähigkeit (ohne Kondensatbildung!) für ver­schiedene Baugrößen auf Basis einer Messung. Bedingung ist aber, dass ein Vergleich auf Basis identischer Rohrabstände im Regis­ter erfolgt. Die Ergebnisse einer thermischen Leistungsmess­ung zeigt das Diagramm in Bild 7.

Fazit

Mit der entwickelten innovativen Fügetechnologie können Rohr­bündel-Wärmeübertrager aus dünnen Edelstahlrohren und -rohrböden in verschiedenen Baugrößen für die Abwärmenutzung hergestellt werden. Mittels umfangreicher schwingungs- und strö­mungstechnischer sowie thermischer Untersuchungen ist die sehr gute Praxistauglichkeit einer solchen Verbindung zu bestätigen. Diese neuen Wärmeübertrager können nahezu unabhängig von den Einbau- und Anschlussbedingungen in einem Kanal- bzw. Rohrsystem eingebunden werden. Kompakte Zu- und Abströmadapter, die nach allgemeingütigen Designkriterien konstruiert und gefertigt werden, ermöglichen eine ausreichend gleichmäßige Beaufschlagung der Zuströmflächen und damit eine effiziente Abwärmenutzung.

Die zukünftigen Schwerpunkte der Entwicklung konzentrieren sich auf folgende Inhalte:

Das umfasst zum einen die Eignungsprüfung der innovativen Fügeverbindung für diesen Anwendungsfall. Alternativ dazu werden Schweißverfahren für den Einsatz dünnwandiger Edelstahlkomponenten optimiert. Hier werden kurzfristig Lösungen verfügbar sein.

Neben der Vervollkommnung der eigentlichen Funktionsweise sollen langfristige Feldversuche die Leistungsfähigkeit im praktischen Einsatz ermitteln.

Eine Leistungssteigerung kann durch den Einsatz von Strukturen im Rohr und auch durch Oberflächenstrukturen am Rohr erreicht werden. Dazu werden Untersuchungen mit so genannten „twisted tapes“ erfolgen.